무기 EL형광체 제조원가 1/10
나양선단대 등 「전자레인지」 활용
奈良先端科學技術大學院大學의 浦岡行治 교수와 연구개발벤처인 이미지테크(奈良懸 生駒市)는 차세대 디스플레이용 광원으로서 기대되는 무기EL(일렉트로 루미네센스)형광체를 간편 . 저가에 만드는 기술을 개발했다. 가정용 전자레인지의 원리를 응용했다. 종래에 비해 제조원가를 10분의 1 이하로 낮출 수 있다. 5년 후를 기점으로 실용화할 계획이다.
무기EL형광체는 필름 위에 인쇄기술을 도포할 수 있으므로 구부러지는 디스플레이 등의 용도가 전망되고 있다. 현재는 섭씨 1000도에서 8~10시간 굽는 방법으로 제작하고 있어 높은 원가의 원인이 되어왔다.
연구팀은 마이크로파로 가열하는 전자레인지의 원리를 응용. 진공상태에서 할 수 있도록 내부를 개조한 전자레인지를 사용하여 형광체 만들기에 도전했다. 연속 배기하여 감압하면서 재료가 되는 황화아연과 구리를 약 10분간 가열했다.
이 방법으로 만든 형광체를 사용하여 발광성능을 확인한 결과, 파장 450~470나노미터의 청색광을 균일하게 발광할 수 있었다. 휘도는 1평방미터 당 약 50칸델라. 원자의 배열방식이 일정한 종래보다 깨끗한 산화아연의 결정을 만들 수 있다는 것도 확인했다. 앞으로는 디스플레이용으로는 200~300카넬라, 조명용으로는 1000칸델라의 실현을 목표로 할 방침이다. 일경산업

나노소재의 전기특성측정 
근적외선 이용 차세대 배선용
九州大學의 中嶋直敏 교수 등은 수 나노미터의 초미세한 「나노소재」의 전기적인 성질을 측정할 수 있는 신기술을 개발했다. 재료에 근적외선을 쏘아서 튀어나오는 빛의 강도에서 구한다. 차세대 전자소자의 배선용으로 기대되는 카본나노튜브(통상(筒狀)탄소분자)의 전기특성 측정에 성공했다. 나노소재는 성능평가가 어려워 실용화의 걸림돌이 되었다.
나노소재는 제조기술이 확립되고 있으나 완성된 재료의 두께와 전기적 성질은 상당히 고르지 못하다. 차세대의 고집적 전자소자 재료에 최적인 것을 선택하려면 전기특성을 측정하여 「합격품」을 판별할 필요가 있는데, 좋은 방법이 없었다.
中嶋 교수 등은 소자의 전기 특성을 직결하여 에너지 상태를 나타내는 「에너지 준위」와 「밴드갭」이라고 하는 두 개의 양을 측정하는 기술을 개발했다. 실험에서는 직경 1나노미터 전후에서 카본나노튜브로서는 가장 단순한 구조인 「단층나노튜브」의 성질을 조사했다. 우선 나노튜브를 셀룰로스 유도체 수용액에 녹여서 용액을 전극에 바르고, 전극에 나노튜브를 부착시켰다. 이 전극을 전해질 용액에 넣어서 전압을 가하고 근적외선을 쏘자 포트루미네센스라고 불리는 발광현상으로 나노튜브에서 빛이 나오므로 빛의 강도에서 전기특성을 구했다.
측정 결과, 같은 단층나노튜브에서도 자세히 조사하니 15종류의 두께가 뒤섞여 있었다. 두께마다 에너지 준위와 밴드갭이 달라 측정 데이터를 바탕으로 나노튜브의 전기특성을 구분할 수 있다는 것을 알았다.
전자소자의 정보처리량을 늘리려면 미세가공이 불가결한데, 기존의 실리콘 재료에서는 10나노미터 정도의 가공이 한계. 미래의 재료로서 보다 미세한 나노튜브 등이 유망시 되고 있어 中嶋 교수는 신기술에 대한 요구가 높다고 보고 있다. 일경산업

University of Illinois 연구팀 -
나노구조물 제작을 위한 새로운 기술 개발
Urbana-Champaign에 위치한 University of Illinois의 Jennifer Lewis의 연구팀은 나노사이즈의 두께의 평면 격자를 종이접기 하듯 구부리고 접는 방식을 이용하여 다양한 형태의 나노구조물을 만드는 방법을 개발했다. 나노구조물을 만드는데 사용된 평면격자는 세라믹, 금속, 또는 폴리머물질이 포함된 잉크를 일정한 패턴을 따라 끊어짐 없이 길게 분사하는 방식을 이용, 직조하듯 만들어 진다. 평면격자를 이용한 구조물의 제작은 일반적으로 다음의 3가지 공정에 의해 이루어진다. 1.구조체가 될 물질이 포함된 잉크의 인쇄와 부분적 건조를 통한 평면격자의 형성. 2.평면격자 구조체의 형태제작 3.구조체의 경화를 위한 열처리. 위에 설명한 3가지 공정만을 놓고 보면 평면격자를 이용한 구조체 제작은 간단한 작업처럼 보일 수도 있다. 하지만 Lewis의 연구팀의 이야기에 따르면 평면격자를 이용한 구조체 제작 기술개발까지 다양한 기술적 난제들을 해결해야 했다고 한다. “우리가 사용하는 대부분의 잉크들은 액상으로 존재하기 때문에 건조과정을 거치면서 급격히 경화되는 경향을 보였습니다. 너무 단단하게 경화된 평면격자는 깨지는 경향이 심해 구부리거나 접는 식의 가공을 할 수 없었습니다.” Lewis는 이야기 했다. Lewis의 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 잉크와는 다른 솔루션 형태의 잉크를 사용하였으며 이를 통해 가공에 용이하면서도 형태를 유지하기에 충분한 경도를 가진 평면격자를 만들어 냈다고 한다. 연구팀이 사용한 잉크는 기화되는 속도가 다른 두 개의 솔벤트를 포함하고 있어 1차 건조 후에도 남아있는 솔벤트가 평면격자의 가공성을 유지시켜 줄 수 있다. Lewis의 연구팀은 이 기술을 이용, 15번의 접고 피는 과정을 거쳐 종이접기 학과 같은 모양의 나노구조물 제작을 통해 이 기술의 실용성을 증명했다. UI 재료공학부 교수이자 Materials Research Laboratory의 소장인 Leiws는 이 기술이 다양한 분야에 적용될 수 있다고 이야기했다. “이 기술을 이용하면 기존의 방법으로는 불가능했던 매우 복잡한 형태의 나노사이즈 구조물을 손쉽고 빠르게 제작할 수 있습니다.” Lewis의 연구팀이 개발한 기술은 현재 사용되고 있는 ‘Rapid Prototyping’ 기술을 대체할 수 있을 것으로 보인다. ‘Rapid Prototyping’ 기술은 3차원 구조물의 제작을 위해 여러 층의 구조물을 쌓아올리는 방식을 사용하는데 구조물의 형태가 복잡해지면 쌓아올려진 구조물의 무게를 이기지 못하고 하부구조물이 무너져 내린다는 치명적인 단점을 가지고 있다. 이에 반해 Lewis의 연구팀이 개발한 기술을 이용하면 복잡한 형태를 지니면서도 가볍고 강한 구조물을 제작할 수 있다. 따라서 혈관의 협착을 방지하는 Stents, 복잡한 구조의 인공골격과 같은 생체재료는 물론 촉매기판과 같은 다양한 기능성 구조물을 제작하는데 사용될 수 있을 것으로 보인다. 연구팀의 일원인 Dunand에 따르면 연구팀의 다음 목표는 현재 제작된 구조체보다 훨씬 크거나 작은 크기의 구조물 제작과 이전과 다른 재료로 구성된 평면격자를 이용한 구조체를 제작하는 것이라고 한다. “이 기술의 잠재력을 볼 때 현재까지 우리가 수행한 연구는 시작에 지나지 않습니다.” Lewis는 이야기 했다. www.news.
illionis.edu/video/origami.mov에서 Lewis의 연구팀이 제작한 나노구조물의 제작과 관련된 영상을 볼 수 있다. ACB

나노구조물을 만드는데 사용된 평면격자는 세라믹, 금속, 또는 폴리머물질이 포함된 잉크를 일정한 패턴을 따라 끊어짐 없이 길게 분사하는 방식을 이용, 직조하듯 만들어 진다.

희소금속 대체재
산화아연을 기판에 성막
친환경 자동차와 태양전지 패널 등의 제조에 없어서는 안 될, 희소한 금속을 대체할 수 있는 새 재료의 개발이 급속한 속도로 진행되고 있다. 유럽과 일본 등 에너지 절약 선진국에 아울러 중국 등 신흥국에서도 수요가 증대. 안정적인 조달에 불안감이 생겨나고 있기 때문이다. 한 때의 원자재 가격 비등은 잠시 멈췄지만 중장기적으로는 대체 재료에 대한 이행이 필수과제이다.
액정 텔레비전이나 터치패널, 발광다이오드(LED)등에 없어서는 안 될 고기능 재료, ITO(산화인듐주석)을 손에 넣을 수 없게 된다. 하이테크 업계에서 이런 우려가 커지고 있다.
ITO는 투명하며 전기가 잘 통하고 가공성과 안정성이 우수하여 미국 조사회사에 따르면 2009년의 세계시장 규모는 32억 달러(약 4조 원). 그러나 주원료로 사용되는 레아메탈(희소금속)의 일종, 인듐은 중국 등에 사출이 편중되고 있다. 중국 정부가 자원의 저장을 강화하면 타국이 사용하지 못하게 될 가능성이 있다.
일본도 수수방관하고 있을 수는 없다. 産業技術總合硏究所는 ITO를 대신할 투명전극재료로 유망한 산화아연과 마그네슘의 혼합재료를 사방 약 10센티미터의 유리 기판에 성막하는 기술을 개발했다.「대면적이며 고품질의 투명도전막을 만들 수 있다. 폭넓은 용도에 이용할 수 있다」고 柴田肇 주임연구원은 가슴을 편다.
산화아연은 투명하며 도전성도 높아 ITO를 대체할 가장 유력한 재료로 생각되고 있다. 단, 고출력 레이저를 사용하는 특수한 방법을 성막할 필요가 있어, 대면전화와 원가 절감의 방해가 되어왔다. 柴田 주임연구원 등은 반도체 제조 등에서 일반적인 「스팩터링」기술을 이용하여 간단하게 성막하는 실험에 성공했다. 산화아연과 산화마그네슘 덩어리에 전압을 가한 상태에서 아르곤이온을 조사하여 사방으로 튄 입자를 기판에 가볍게 퇴적시킨다. 동시에 발생하는 중성 산소원자와 산소이온이 바각에 악영향을 미치는 것을 방지하여 고품질을 실현했다. 용도는 태양전지를 목적으로 하지만 액정 패널 등 폭넓은 응용도 시야에 넣고 있다.
高知工科大學의 山本哲也 교수 등과 카시오 계산기 등의 연구팀도 스팩터링법으로 산화아연이 튀는 방향을 제어하는 등의 방법으로 균일한 박막이 가능해졌다. ITO의 사용량을 75% 줄인 소형 액정패널을 시작, 컬러 표시에 성공했다.
ITO를 대체하는 유력한 재료에는 이외에도 산화주석과 이산화티탄이 있다. 산화아연은 산이나 알칼리에 약간 약해서 안정성에 과제가 있다. 한편, 산화주석이나 이산화티탄은 가공하기 어렵지만 안정성은 우수하다는 특징이 있다.
神奈川과학기술아카데미의 長谷川哲也 그룹리더 등은 이산화티탄에 금속인 니오브를 미량, 섞은 신재료로 연구에 매진하고 있다. 旭硝子와 공동으로 유리 기판 위에 성막하는 기술을 개발했다. 일단 아몰퍼스(비정질)의 형태로 성막한 뒤에 가열하는 등 결정구조를 일정하게 하는 연구를 하여 ITO에 필적할 도전성과 투명성을 실현했다. 가볍고 부드러운 프렉시블 디스플레이 등에 응용을 넓힐 수 있기 때문에 플라스틱 기판 위에도 성막했다. 제조온도를 유리 기판의 경우보다 100도 가까이 낮춘 약 250℃로 낮추어 시작에 성공했다.
레아메탈의 가격은 다시 안정되고 있기 때문에 대체기술을 긴급과제라고 생각하지 않는 기업도 있다. 그러나 長谷川 리더는「언제인가 대체가 필요하게 된다. ITO의 성능을 능가할 재료를 개발하여 대체의욕을 높이고 싶다」며 연구개발을 서두르고 있다. 일경산업

Pacific North West National Lab, Eagle Picher Technologies
- 전력망에 사용될 대용량 Sodium-Beta 배터리 공동개발
Pacific Northwest National Lab(PNNL)과 Eagle Picher Technologies(EPT)의 공동연구팀은 전력망에 사용될 수 있을 정도의 대용량 배터리 개발을 진행하고 있다. 전력망에 배터리를 적용은 발전량이 일정치 않은 태양광 발전 및 풍력발전 등에서 생산된 전력의 꾸준한 공급을 가능케 한다는 점에서 신재생에너지의 보급에 큰 역할을 할 것으로 보인다. PNNL과 EPT가 공동으로 진행하는 이 프로젝트는 DOE(미에너지부)가 주관하는 ARPA-E(Advanced Research Projects Agency-Energy)프로그램의 일환으로 진행된다. 배터리분야를 연구하는 대부분의 연구자들은 그리드규모에 사용될 수 있을 정도의 대용량 배터리로 Sodium-beta배터리를 꼽는다. 하지만 현재까지 Sodium-beta 배터리는 신뢰성과 경제성에 문제가 있어 그 활용 범위가 매우 제한적이다. 연구팀에 따르면 이러한 문제점을 해결할 차세대 Sodium-beta 배터리는 현재의 원통형 구조가 아닌 평면구조로 제작되어야 한다고 한다. PNNL에 따르면 그들이 개발하고 있는 Sodium-beta 배터리가 성공적으로 보급될 경우 미국에서만 한해 1억5천만 톤의 이산화탄소 배출절감 효과를 가져 올 것 이라고 한다. PNNL과 EPT가 개발 중인 기술의 핵심은 매우 얇은 전해질이 삽입된 평면 Sodium-beta 배터리를 적층하여 고용량의 배터리 모듈을 제작하는 것으로 이러한 구조의 Sodium-beta 배터리는 기존의 원통형 Sodium-beta 배터리에 비해 30%이상 낮은 온도에서 동작이 가능하고 30%이상 개선된 에너지 저장밀도를 가질 수 있을 뿐 아니라 평면이라는 구조적 장점 덕분에 배터리 셀의 적층을 통한 모듈화가 더욱 용이하다. Sodium-beta 배터리의 평면화는 이밖에도 배터리 제조공정의 단순화와 이에 따른 생산 수율 개선을 가능케 할 것이라고 하며 원통형 Sodium-beta배터리에 사용되는 다양한 구성요소들을 세라믹부품으로 대체할 경우 현재의 1/10에 해당하는 비용으로 Sodium-beta 배터리를 제작할 수 있다고 한다. PNNL과 EPT의 공동연구팀은 3년 이내에 시제품을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 이 기간 동안 공동연구팀의 연구원들은 세라믹 전해질의 개발, 평면 배터리 Cell의 디자인 그리고 배터리 Cell의 봉지(Sealing)기술을 중점적으로 연구할 것이라고 한다. EPT는 이 프로젝트의 주관기관으로서 배터리 디자인, 특성 테스트, 그리고 배터리 모듈의 생산에 이르는 과정의 책임을 갖고 있다. ACB

EaglePicher Technologies와 PNNL이 공동 개발한 beta-alumina 전해질 막

인듐 대체 전극재
이산화티탄 등으로 액정TV용 개발
神奈川과학기술아카데미와 旭硝子는 공동으로 산화인듐주석(ITO)를 대체할 투명전극용 신재료를 개발했다. 이산화티탄에 미량의 니오브를 더한 재료로 유리 기판 위에서 ITO정도의 도전성과 투명성을 발휘시켰다. 액정 텔레비전 등의 증산으로 수급핍박이 우려되는 인듐의 대체로 이어질 것이라고 기대하고 있다.
투명전극용 ITO는 도전성과 투명성이 우수하며 또한 가공이 쉽고 적당한 안정성도 갖출 수 있다. 액정 텔레비전이나 태양전지, 터치패널 등 폭넓은 용도가 있어 수요가 급속하게 증대되고 있다. 단, 주원료인 인듐은 중국 등에 산출이 편중되고 있는 레아메탈(희소금속)의 일종으로, 앞으로의 안정적 공급에 불안이 있다.
神奈川과학기술아카데미의 長谷川哲也 그룹리더 등은 투명한 도전체가 될 신재료로서 최근 발견된 이산화티탄과 니오브의 결정에 주목. 싼값에 응용폭이 넓은 유리 기판 위에 성막하여 ITO에 필적할 높은 도전성을 내는데 성공했다. 가시광의 투과율도 약 90%로 충분히 높일 수 있었다. 니오브는 레아메탈이지만 사용이 미량이므로 문제가 적을 것으로 생각된다.
성막에는 반도체 제조 등에서 일반적인 「스팩터링」이라는 방법을 이용. 사방 약 10센티미터의 유리 기판에 일단 아몰퍼스(비정질)의 형태로 새 재료를 퇴적시켰다. 그 후, 섭씨 300~400도에서 가열하자 구조가 깔끔하고 일정한 결정이 생겨 높은 성능을 발휘했다.
연구팀에서는 새 재료와 유리기판 사이에 결정의 방향을 일정하게 하는 특수한 시트를 끼워 넣는 제법도 시도했다. 이 방법이라면 도전율은 더욱 향상될 것이라는 것을 알았다고 한다.
앞으로 실제의 공업생산에 적합한 제법의 검토를 추진해 나갈 생각. 제조온도를 낮추어 플라스틱 기판을 이용할 수 있도록 하는 연구에도 힘을 싣는다. 일경산업

ORNL, 리튬이온 배터리 생산기술 개선을 위해 산업계와
협력 프로젝트진행
Oak Ridge National Lab(ORNL)은 리튬이온 배터리 생산에 걸림돌이 되는 기술적 요소들을 해결하기 위한 프로젝트를 진행할 예정이다. 이 프로젝트는 ORNL과 배터리 제조사들과의 공동연구 형식으로 진행될 예정이며 프로젝트에 할당된 예산은 총 620만 불에 달한다. ORNL과 프로젝트를 진행할 기업은 A123 Systems, Dow Kokam, Porous Power Technologies, 그리고 Planar Energy로 각각의 기업들은 프로젝트 수행에 필요한 예산의 50%이상을 부담하게 된다. “오랜 기간 쌓아온 재료과학 및 생산 분야의 업적과 전문성을 바탕으로 ORNL은 프로젝트에 참여할 기업들이 안고 있는 다양한 기술적 문제들을 해결하는데 도움을 줄 것입니다. 뿐만 아니라 현재 외국의 업체들에 상당부분 잠식당한 2차 전지 시장을 미국기업들이 다시 탈환할 수 있다는 자신감을 심어 줄 것입니다” ORNL의 Energy Materials Program의 책임자인 Craig Blue는 이야기 했다. ORNL과 4개의 기업들은 본 프로젝트를 통해 리튬이온 배터리의 안정성, 수명, 그리고 제조비용절감에 관련된 기술개발에 초점을 맞춰 진행될 예정이다. 리튬이온 2차 전지 분야는 화학물질 제조, 폴리머 가공, 재료디자인, 계면공학 등의 다양한 기술적 요소들이 결합된 산업분야이다. ORNL의 David wood에 따르면 향후 18개월간 ORNL과 프로젝트 참여기업들은 2차 전지 산업분야와 관련된 광범위한 기술적 요소들에 대한 조사와 연구를 진행할 것이라고 한다. “본 프로젝트는 차세대 에너지저장기술 분야에서 미국 정부와 기업들이 주도권을 확보할 수 있도록 해줄 것입니다.” David wood는 이야기 했다. ACB

리튬이온 배터리의 성능을 테스트 하고 있는 ORNL의 연구원

차세대 우주반사망원경 James Webb Space Telescope에 사용될 압전세라믹스 액추에이터
차세대 우주반사망원경인 James Webb Space Telescope
(JWST)의 핵심부품인 반사경위치제어시스템에 압전세라믹물질을 이용한 액추에이터가 적용될 것이라고 한다. JWST에 적용될 압전세라믹스 액추에이터의 개발자인 ACerS의 Mark Ealey와 Maureen Mulvihill에 따르면 그들이 개발한 액추에이터는 JWST가 임무를 수행할 극저온의 우주환경에서 반사경의 위치 및 자세를 제어하기에 충분한 구동력을 만들어 낼 수 있다고 한다. 하나의 반사경을 사용하는 Hubble 우주망원경과는 다르게 차세대 반사망원경인 JWST는 6각형의 거울 18개로 이루어진 클러스터구조의 반사경을 사용하며 이 반사경은 JWST가 궤도에 진입한 이후 펼쳐지게 된다. Mark Ealey와 Maureen Mulvihill이 개발한 압전세라믹스 액추에이터는 우주환경이외에도 극저온 분위기가 요구되는 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 보인다. ACB

차세대 우주반사망원경인 James Webb Space Telescope(JWST)의 핵심부품인 반사경위치제어시스템에 압전세라믹물질을 이용한 액추에이터가 적용될 예정이다.

카본나노 산화시켜 표면적 1.7배
産總硏, 축전장치에 응용
産業技術總合硏究所는 카본나노튜브(통상탄소분자)를 산화처리하여 표면적을 아무런 처리 하지 않은 경우에 비해 1.7배로 늘린 신재료를 개발했다. 이것을 캐퍼시터(축전장치)의 전극에 이용하여 성능을 높이는 데에도 성공했다. 전기자동차용 캐퍼시터 등에 응용을 기대하고 있다.
단층 카본나노튜브를 고온에서 산화하여 튜브의 끝이나 측벽에 미세한 구멍을 뚫는 처리를 하여 표면적을 늘렸다. 처리조건을 자세하게 규명하여 1그램당의 표면적을 2240평방미터까지 늘릴 수 있었다. 캐퍼시터의 전극에 사용할 경우, 표면적이 크면 성능향상으로 이어진다.
실제로 캐퍼시터를 시작하여 성능을 조사했다. 종래의 활성탄을 전극에 사용하는 타입에 비해서 성능지표인 에너지 밀도는 약 1.5배, 또 하나의 지표인 파워 밀도는 약 2.8배가 되었다.
産總硏은 앞으로 기업과 공동으로 고성능 캐퍼시터의 개발을 추진한다. 또 전극 이외의 응용도 전망하며 용도개척을 촉진하기 때문에 신재료를 기업 등에 제공할 예정이다. 일경산업

산업적 활용이 가능한 탄소나노튜브 에어로겔 개발
프랑스 Paul Pascal Research Cente(PPRC)의 과학자들은 탄소나노튜브를 이용하여 탄소 에어로겔을 제조할 수 있는 경제적인 방법을 개발했다고 한다. 이와 관련하여 PPRC가 출원한 특허에 따르면 탄소나노튜브를 이용한 탄소 에어로겔의 제조 방식은 크게 다음의 3가지로 요약된다. 1.탄소나노튜브가 고르게 분산된 용액의 제조(탄소나노튜브는 물속에 분산되며 완벽한 분산을 위해 별도의 분산제가 첨가된다.). 2.기포제(foaming agent)가 혼합된 가스의 주입을 통한 탄소나노튜브 분산용액의 발포화. 3.탄소나노튜브 발포체의 경화와 기화를 통한 발포체 내의 수분제거. PPRC가 개발한 이 기술이 주목받는 가장 큰 이유는 제조공정의 단순성과 이에 따른 경제성이다. 앞서 설명한 바와 같이 새롭게 개발된 탄소 에어로겔의 제조공정은 액상 매개물의 가공을 통해 이루어질 뿐 아니라 공정설계에 있어 제한요소가 적다는 장점을 가진다. PPRC의 연구원들에 따르면 이러한 장점들은 그들이 개발한 탄소나노튜브 에어로겔 제조공정의 상업적 이용을 매우 용이하게 해주는 역할을 할 것이라고 한다. Renal Backov, Pierre Delhaes, Florent Carn, Celine Leroy와 같은 에어로겔과 그 관련분야를 연구하고 있는 과학자들의 이야기에 따르면 탄소 에어로겔은 액상물질과 고상물질을 분리해 내는데 있어 현존하는 어떤 물질보다도 우수한 성능을 지니고 있다고 한다. 탄소 에어로겔의 이러한 특성을 이용한 대표적 응용분야로는 혈액투석을 위해 사용되는 여과막, 물의 정화를 위해 사용되는 정수처리 필터가 있으며 이밖에도 탄소 에어로겔이 지니는 독특한 구조를 이용하여 세포의 성장이 이루어지는 지지체로도 사용될 수도 있다고 한다. 연구팀에 따르면 탄소 에어로겔은 연료전지에 사용되는 고에너지 밀도의 액상연료를 저장하는데 매우 효과적으로 사용될 수 있을 뿐 아니라 리튬이온 베터리의 음극물질로 사용될 경우 리튬이온 베터리의 저장용량을 획기적으로 높일 수 있다고 한다. 이밖에도 탄소 에어로겔은 소음 및 진동을 차단하는 용도로도 활용될 수 있다. ACB

Paul Pascal Research Center에서 개발된 탄소나노튜브 에어로겔의 전자현미경 이미지

리카글래스
틀에서 형성가능하게
제조원가 1/10이하
九州大學의 藤野茂 준교수 등은 광학부품 등에 사용하는 고성능 재료 「실리카글라스」의 가공성을 높이는 기술을 개발했다. 원료의 입자를 일단 유기고분자와 섞어서 탄력을 주고, 틀 등에서 간단히 성형한다. 제조원가는 종래의 10분의 1이하가 된다. 유리 기판 위에 저가로 전자회로를 제작하거나 새로운 타입의 발광 소자에 응용하거나 할 수 있다.
실리카글라스는 고순도의 이산화규소로 만든 유리로, 투명하며 내열성 등도 우수하다. 광학렌즈나 광화이버 등 다양한 용도가 있다.
九州大는 나노미터 사이즈의 실리카글라스 분말을 특수한 유기고분자와 혼합하여 굳히는 방법을 고안했다. 분말과 유기분자가 결합하면 덩어리에 탄력성이 생겨 틀이나 칼날 등을 사용하여 유리를 다양한 형태로 가공·변형할 수 있다. 마지막으로 약 1천도의 전기로에서 구워서 유기분자를 제거하면 고순도의 실리카글라스가 완성된다.
종래는 섭씨 2300~2600도로 녹이거나 원료를 기체로 만들어 분무하거나 하여 가공할 필요가 있어, 얇은 필름이나 표면에 요철이 있는 모양을 만들기에는 원가와 수고가 들었다. 개발한 기술은 대형 장치가 필요치 않은 등 공정을 간략화 할 수 있으므로 제조원가를 낮출 수 있는 이외에 고온초리의 온도도 대폭 낮출 수 있기 때문에 에너지 소비도 50분의 1 정도로 줄일 수 있을 것으로 시산하고 있다.
신기술을 사용하면 유리 기판 위에 미세한 금속배선을 제작하여 전자회로로 만들 수 있다. 또 자외선을 쏘면 발광하는 원소 등을 다양한 패턴으로 유리로 성형하기도 쉽다. 신형 센서나 제품의 위조방지 마카 등에 대한 응용도 전망할 수 있다고 한다. 기업과 손잡고 조기 실용화를 목표로 한다. 일경산업

세라믹스막
산소추출용, 내구성 300배
東北大, 수소효율제조용
東北大學의 高村仁 준교수 등은 연료전지나 제철용 수소를 제조하는 과정에서 사용할 수 있는 세라믹스막을 개발했다. 공기 중에서 수소제조에 필요한 산소를 추출하는데 사용한다. 세라믹스의 조성이나 혼합하는 촉매를 연구하여 실용품에서 필요한 650시간 이상의 연속사용을 가능하게 했다. 종래의 300배를 넘는다. 5년 후의 실용화를 목표로 한다.
개발한 것은 질소나 산소 등이 뒤섞인 공기에서 산소만을 투과시킬 수 있는 세라믹스막. 이 막으로 얻어진 산소를 메탄이나 프로판과 반응시키면 수소를 효율적으로 제조할 수 있다. 단, 섭씨 800~1000도의 고온에서 사용하므로 성능이 열화되기 쉬워, 종래의 실험에서는 1~2시간 정도의 연속사용에 그쳤다.
연구팀은 세륨이나 철 산화물을 주원료로 하는 세라믹스에 지르코늄을 넣어서 강도를 향상시켰다. 또한 막에 섞는 촉매나 사용 시의 온도조건 등을 연구함으로써 막 속에서 금속이온이 확산하여 성능이 저하하는 것을 방지했다. 650시간의 안정 동작을 확인하여 실용화의  기준을 잡았다.
현재의 가정용 연료전지는 고온의 수증기를 사용해서 도시가스 등을 개질하여 수소를 만들고 있다. 대형 반응용기가 필요한 이외에 전지를 기동시키기까지 1시간 정도가 걸린다는 과제가 있었다. 이번에 개발한 막은 수증기를 사용하는 경우와 같은 효율을 유지하면서 20분 이내에 가동할 수 있었다. 연료전지의 크기도 10분의 1정도로 소형화할 수 있으리라 전망하고 있다. 세라믹막에 따라서 순수한 산소를 추출하여 석유연료 등을 연소시키면, 공기를 사용하는 경우보다 연소효율을 높일 수 있다. 온난화 대책으로서 연료에 따라 나오는 이산화탄소(CO2)를 지하에 저장하는 기술을 이용할 때에도 불순물이 줄어들기 때문에 목적 성분의 분리가 용이해진다고 한다. 앞으로 기업과 손잡는 등의 방법을 통해서 한층 더 높아진 성능의 향상을 추진해 나간다. 일경산업

SOFC 연료전지
원통 셀, 안정성 높여
日立·TOTO 수소 유출 방지
日立製作所와 TOTO는 공동으로 발전용 셀을 통상으로 늘어놓은 신형 고체산화물형(SOFC)연료전지를 개발했다. 셀이 판 모양으로 늘어선 종래형에 비해서 수소가 외부로 누출되기 어렵기 때문에 안정성이 높고 제품으로서의 수명도 길다. 실용 수준에 이르는 10킬로와트의 장치를 시작했다. 업무용 코제네레이션(열전병합) 시스템 등의 용도로 제품화해 나간다.
개발한 신형 SOFC는 통의 바깥쪽에 마이너스 극, 안쪽에 플러스극을 둔다. 통의 안쪽에 공기를 흐르게 하고 바깥쪽은 연료가 되는 수소나 일산화탄소가 흐르게 하여 발전한다. 日立 등은 「원통 세로 줄무늬형」이라고 이름 지었다.
원통형은 평평한 판 모양의 연료전지에 비해 밀폐성이 높아 가스가 외부로 새어나오기 어렵다. 발전할 때에 섭씨 900도까지 온도가 상승하는데, 가스가 새어나오는 것을 방지하기 위해서 연료전지를 덮는 실이 파괴될 위험성도 적다고 한다.
지금까지 원통형으로 만들면 연료가스에 포함된 탄소가 마이너스극 쪽에서 석출되어 연료의 통과가 나빠지는 문제가 있었다. 日立 등은 표면에 알루미나 피막을 형성함으로써 탄소의 석출을 방지. 온도를 올리는 방법 등 운전방법도 재검토하여 탄소의 석출을 억제했다. 전압의 비균일도 연료전지의 구조를 연구함으로써 종래의 5%에서 2% 이내가 되었다. 전압이 안정됨으로써 출력의 저하를 억제하는데 성공했다.
원통형 셀을 360개 늘어놓아 10킬로와트의 장치를 시작했다. 3천 시간 이상 운전되고 발전효율은 약 40%로 평판형과 같은 정도의 효과를 실현했다. 배열도 회수하여 섭씨 60도의 온수를 만듦으로써 총합효율은 80%를 넘었다. 실버타운 등의 시설용으로 실용화를 도모한다. 고체산화물형 연료전지는 기존에 발매되어 있는 고체고분자형(PEFC)와 비교하여 발전효율이 10% 정도 높아 京세라와 日立 등이 개발을 다투고 있다. 이르면 2012~13년에는 상품화가 시작될 전망. 新에너지·産業技術總合開發機構(NEDO)의 위탁을 받아 개발했다. 일경산업

적색 LED 밝기 20배
같은 빛의 양이라면 원가 반감
日立電線은 밝기를 종래 제품의 약 20배로 높인 적색 LED칩을 개발했다. 칩의 면적을 10배약하게 하여 대전류에 견딜 수 있게 하였다. 같은 빛의 양이라면 칩의 수를 대폭 줄일 수 있으므로 칩의 원가를 거의 반으로 낮출 수 있다. 신호기나 대형 액정 패널 등의 용도로 판매한다. 2011년도에 종래 제품도 포함하여 LED 제품 전체적으로 5억 엔의 매상을 목표로 한다.
칩의 빛의 양을 늘리려면 칩을 크게 한 뒤에 표면 전체에 전류를 넣어야 한다. 또 전극이 빛을 차단하지 않도록 배치하는 연구도 요구된다.
따라서 이 회사는 칩 표면에 둥근 모양의 패드 전극을 2개 배치하고 등골(背骨)전극이라고 하는 두꺼운 전극선으로 패드 전극을 이었다. 또한 가는 전극을 등골전극과 수직으로 6줄 배치함으로써 구석구석까지 전기가 흐를 수 있게 함과 동시에 전극이 직진하는 빛을 방해하지 않도록 했다.
칩의 크기는 사방 1밀리미터로 빛의 양 55루멘을 실현. 이 회사의 종래 제품은 사방 0.33밀리미터로 동 2.6루멘 정도였다.
새로 개발된 칩을 사용하면 신호기는 칩의 수를 종래의 200개 정도에서 0개 이하로 줄일 수 있다.
일본 경찰청에 따르면 LED를 사용한 신호기의 보급률은 07년에 약 15%이며, 해마다 증가경향에 있다. 日立電線은 일본뿐 아니라 아시자 등의 해외에서 신호기의 갱신 수요를 겨냥하고 있다. 실외용 대형액정 패널이나 프로젝터 등의 광원용에도 채용해 나갈 계획이다. 일경산업

자기공명화상장치(MRI)의 소형화 등
다용도로 이용할 수 있는 고성능 자석 개발
니파이의 창설자, 팀 크레임스 박사는 고가의 대형설비에 의지하지 않고 강력한 초전도 자석을 싸게 제조하는 방법을 개발했다. MRI에 사용하는 자석의 세기는 약 3테슬러이지만 「자속(磁束)펌프」라고 하는 기술을 사용한 이 영구자석은 2~17테슬러로 세계 최강이라고 한다. 기존의 7테슬러의 초전도자석은 약 10×150센티미터이지만, 신개발품은 같은 자력이라면 1×2.8센티미터로 실현가능. MRI의 소형·저가격화에 도움이 되어, 병원의 응급실이나 재해·사고현장에서 사용하는 막대 모양의 휴대형 촬영 장치에 대한 이용도 전망한다.
자동차나 선박 등에 사용하는 고성능 전동기나 에너지 효율이 좋은 풍력발전 터빈, 광업용으로 철을 포함하는 원석을 선별하는 자기분리장치 등에도 응용가능하다. 일경산업

플랜트 외벽
방식 수명 20년으로 明星工業 도료에 광촉매 작용
단열공사의 대기업인 明星工業은 석유화학 플랜트의 외벽 방식성능을 종래 대비 2배인 약 20년으로 높일 수 있는 도장사업을 시작했다. 실증실험을 끝내고 이 회사가 시행하는 신설·보수공사에서 수주활동을 개시했다.
도료에 섞은 산화티탄의 광촉매 작용을 이용하여 플랜트의 탱크나 굴뚝 등의 벽면에서 발생하는 녹의 진행을 늦출 수 있다고 한다. 녹은 금속 표면이 전자를 잃고 이온화하여 산화철로 변화함으로써 생긴다. 현재는 녹 방지의 효과가 있는 아연을 도료에 섞고 있지만 아연은 시간이 지나면 용해되어 버린다.
따라서 明星工業은 산화티탄을 배합한 도료를 전기공사회사와 공동 개발하여 특허를 취득했다. 햇빛의 자외선을 받으면 산화티탄이 전자를 방출하여 아연과 반응. 아연의 용해를 늦춰서 방식수명을 늘린다.
해안선의 석유화학 플랜트 외벽은 해풍의 영향으로 약 10년이면 도료의 덧바름 공사가 필요하다고 한다. 도료의 제조는 大日本塗料에 위탁한다. 새 도료의 가격은 종래 제품보다 약 10% 높아질 전망이다. 일경산업

반도체의 열 활성을 이용한 VOC 완전 분해
橫浜國立大學의 水口교수 등의 연구팀에서는 반도체를 가열하면 현저한 촉매효과를 발현하는 현상을 발견하고, 이것을 VOC(volatile organic compound : 유기휘발성물질)의 완전 제거 문제에 응용했다. 반도체라고 하면 레이저, 트랜지스터 등의 Hi-Tech산업을 이미지 하지만, 필자 등의 연구는 반도체의 고온영역(350~500℃)에서는 새로운 응용이다.
필자 등은 반도체의 열 평균 캐리어 수가 페루미 디랙 분포관수와 상태밀도(density of states)의 곱으로 결정되며, 온도의 상승과 함께 정공의 수는 온도의 지수관수로 증가한다는 것에 주목했다.
이렇게 대량으로 생성하는 정공(전자가 빠진 구멍)의 강한 산화력을 VOC의 분해에 이용하는 것이다. 그뿐 아니라 정공은 피(被)분해 대상물에서 결합전자를 빼앗아 카티온 래디컬을 생성한다. 이 래디컬이 350~500℃의 온도에서 래디컬 개열(開裂)을 야기하여 거대분자를 작은 분자로 재단(裁斷)한다는 것을 밝혀냈다.
그 결과, 재단화된 소분자는 공기 중의 산소와 반응하여 H2O CO2로 완전 분해된다는 것을 알았다. 즉, 열 활성에 의한 분해 과정은 “대량의 정공 생성”, “래디컬 개열에 의한 거대 분자의 프래그먼트화”, 그리고 “소분자의 완전 연소”라고 하는 3개의 프로세스로 특징지을 수 있다. 광디스크 기판 재료인 폴리카보네이트(분자량 : 25000)도 눈 깜짝할 사이에 H2O와 CO2로 분해되는 메커니즘을 그림에 나타내었다.
이 시스템은 VOC뿐만 아니라, 디젤 배기가스, 담배연기, 바이오메스의 가스화에 대한 타르의 제거 등에도 응용할 수 있다. 이 연구는 현재 JST의 「대학발 벤처 창출」프로젝트로 실용화를 위해 추진 중이다. 누구나 손에 넣을 수 있는 “소형, 고성능, 저가격”의 VOC제거 장치를 목표로 하고 있다. CJ
유기자성체가 강유전체로
東京大學의 十倉好紀 교수와 JST 「十倉멀티페로익스 프로젝트」의 賀川史敬 연구원 등은 자성(전자스핀)을 가진 2종류의 원자(또는 분자)가 일차원적으로 적층한 결정구조를 가진 물질이 스핀 사이의 상호작용에 의해 강유전체가 된다는 새 원리를 발견했다.
강유전체는 통상 자성을 띠지 않으며, 전기 분극의 방향은 전장에 의해서만 제어가능하다. 이에 대해 최근 발견된 「멀티 페로익스」라고 불리는 물질군은 자성과 강유전성을 동시에 보이며 외부 자장에 의해서도 전기분극의 방향을 제어할 수 있다는 특색을 가진다. 멀티 페로익스라는 새로운 자성 강유전체의 등장으로 강유전체의 물질과학은 지금, 급속한 확대를 보이고 있다. 지금까지 이러한 자성 강유전체는 주로 무기물질 분야에서 연구가 이루어지고 있었고, 유기물에서 보고는 없었다.
이번 이 연구팀은 테트라 티아플발렌·브로마닐(TTF-BA)이라는 유기자성체는 TTF분자와 BA분자가 가진 전자스핀 사이의 상호작용 결과, 저온(-220℃이하)에서 두 분자가 쌍을 이루도록 일그러져 전하가 편중되어 전기분극이 생긴다는 것을 발견했다(그림). 이 현상은 전자스핀이 일차적으로 배열해 있는 물질의 경우는 일반적으로 스핀이 양적 역학적인 쌍(스핀-중항(重項)상태; 비자성)을 이루려고 결정이 일그러진다는 물리법칙(스핀파이엘스 불안정성이라고 한다)에 기초한 것으로 강유전성의 새로운 발현 메커니즘이라고 할 수 있다. TTF-BA에 60테슬러라는 고자장을 인가하면 비자성인 스핀-중항상태가 제어됨으로써 강유전성도 소실된다는 것이 확인되어(그림), 이 물질의 강유전성이 확실히 스핀 사이의 상호 작용에 기초하고 있다는 것을 뒷받침할 수 있었다.
이번에 발견된 새 원리에 따라 앞으로 여러 가지 유기자성체에서 강유전성이 발견되어 갈 것이 기대된다. 또 유기물은 부드럽다는 특징을 가지므로 앞으로는 구부러지는 자성 강유전체와 같은 색다른 물질이 유기물에서도 실현될지 모른다. CJ

(ERATO 멀티 페로익스 프로젝트....)
테트라 티아플바렌 브로마닐(TTF-BA)

고체 속의 열 제어 방법
휴대폰, 태양 패널, 컴퓨터 칩을 설계하는 기술자의 경우에, 실리콘과 같은 결정 물질을 통한 열 이동을 제어하는 것이 매우 중요하다. 예를 들면, 컴퓨터와 휴대폰 칩의 속도 및 메모리 증가 한계를 극복하기 위해서 칩에서 발생하는 열을 분산시킬 수 있는 방법을 찾는 것이 매우 중요한 문제로 대두되고 있다.
소리뿐만 아니라 열도 원자 및 분자의 움직임 또는 진동이라고 알고 있다. 즉, 저주파수 진동은 소리에 해당하고 더 높은 주파수는 열에 해당된다. 각 주파수의 양자 기계 원리에서, 진동 에너지는 양자라고 불리는 기본 에너지 단위로 표현되고, 이것은 주파수에 비례한다. 물리학자들은 이것을 에너지 포논(phonon)의 기본 단위라고 부른다.
어떤 점에서는 “포논(phonon)”이 열 입자를 나타내는 단어로서 사용될 수 있다. 포논은 결정의 열과 소리 행위와 특히 관련된다고 MIT연구진은 설명했다. 이 결정에서, 원자는 균일하고, 반복된 구조 속에 배열된다; 열이 가해질 때, 원자는 특정 주파수로 진동한다. 결정 속의 각각의 원자 사이의 결합은 스프링처럼 행동한다. 트램폴린(trampoline)의 한 면의 미끄러짐이 전체 표면의 진동을 시작할 수 있는 것처럼, 원자들 중 하나를 밀어 넣거나 끄집어 내면 결정을 통해서 이동하는 파장(또는 포논)을 발생시킨다.
실제로, 대부분의 물질들은 서로 다른 주파수를 가지고 서로 다른 방향으로 움직이는 포논의 무질서한 혼합물로 채워져 있다. 이것은 삼각파가 이는 바다에서 발생하는 표면상의 무질서한 움직임과 동일한 방법으로 움직인다. 그러나 서로 다른 파장을 가지면서 전혀 상호작용을 하지 않는 광자(광 또는 다른 전자기 방사선을 옮기는 입자)와는 달리 서로 다른 파장을 가진 포논은 서로가 부딪칠 때 상호작용을 하고 혼합될 수 있는데, 이것은 다른 파장을 생성할 수 있다. 이것으로 인해서 포논의 행위는 더 무질서해지고 예측 및 제어가 훨씬 더 어렵게 된다.
포논은 특정 주파수를 가진 광자처럼 기본 양자의 몇 배 수준의 에너지를 가질 수 있다. 그리고 연구진이 특히 집중해서 연구하고 있는 것은 응용 물리학을 고체 내의 열전달에 적용할 때 포논으로 환산해서 생각하면 특히 유용하다는 것이다.
예를 들어, 더 많은 구성요소를 삽입하고 칩을 더 빠르게 작용하기 위한 중요한 요구조건인 컴퓨터 칩 속의 더 나은 열 분산 방법을 탐색하기 위해서, 열을 더 쉽게 제거할 수 있는 방법은 이런 칩 속의 포논의 행위를 조절하는데 중요하다. 반대로, 온도 차이로 전기를 발생시키는 열전 소자를 설계할 경우에, 쉽게 전기를 전도(전자의 움직임)하지만 포논(즉, 열)의 움직임을 차단할 수 있는 물질을 개발하는 것이 중요하다. 어떤 경우에는 포논의 강한 전파를 원할 것이고 어떤 경우에는 포논 전파의 감소를 원할 것이기 때문에 포논의 존재는 사용 용도에 따라서 좋고 나쁨이 결정된다. GTB

나노기공을 가진 알루미나 산화 전극막 제조 기법 
나노기공성 양극산화 알루미나 박막은 나노튜브와 나노와이어와 같은 전자소자나 에너지 저장 매체를 위한 초소형의 다기능 소자를 만드는 데 있어서 템플릿으로 사용될 수 있어 그 활용도가 매우 높은 소재이다. 그러나 이러한 박막을 제조하는 데 소요되는 여러 복잡하고 까다로운 기술은 이러한 소재가 산업분야에서 적용되는 데 한계로 작용하고 있다.
싱카폴 A*STAR 재료연구소(A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore)의 Tanu Kustandi박사가 이끄는 연구팀은 큰 실리콘 웨이퍼 위에서 매우 규칙적인 나노기공 알루미나 박막을 형성할 수 있는 마이크로 제조 기법을 개발하는 데 성공하였다. 이번에 개발된 기법은 반도체 산업에서 직접적으로 적용이 가능한 기술로 평가되고 있다.
Kustandi박사는 “지금까지의 방식은 알루미늄 표면에 스탬프를 고압으로 눌러 찍는 기계적인 접근법에 의한 기술”이며, “이러한 접근법은 알루미륨 박막을 지탱하는 중요한 기판에 손상을 가할 수 있는 것”이라고 설명했다.
하드 스탬프를 피하기 위해서, Kustandi박사팀은 SFIL(Step and Flash Imprint Lithography, SFIL)라고 불리는 리소그래피 공정과 금속을 사전 처리하기 위한 습식각 기술을 결합한 ‘소프트(soft)’ 접근법을 개발하였다. 먼저, 연구팀은 실리콘 웨이퍼위에 알루미늄과 유기성 평탄화 층을 코팅한 뒤 임프린트 레지스터를 표면에 뿌렸다. 여기에 사용된 임프린트 레지스터는 자외선에 의해 중합되는 낮은 점성을 가진 에칭 레지스터이다. 다음, 석영 템플릿의 표면에 나노크기의 기둥으로 패턴처리를 하였다. 이러한 미세한 패턴은 레지스터가 템플릿 표면과 접촉하여 템플릿을 채우도록 하게 하였다. 그러고 나서 자외선을 조사하여 템플릿의 역상이 만들어지도록 하였다. 템플릿을 중합되지 않은 영역으로 옮겨서 패턴닝 공정을 반복적으로 되풀이하여, 전제의 웨이퍼가 나노미터 크기의 상을 가지도록 임프린트 공정을 진행했다. 연구팀은 패턴화된 표면의 잔유물과 평탄화 막을 깨끗하게 처리한 뒤, 에칭액을 가지고 알루미늄 막에 패턴을 옮겼다. 마침내 연구팀은 자외선-오전 처리를 통해 폴리머 레지스터를 제거하였으며 알루니늄을 양극산화라고 불리는 전기화학법으로 산화시켜 나노기공 알루미나 박막이 형성될 수 있도록 하는데 성공하였다.
Kustandi박사팀은 사각형, 육각형 등의 다양한 구조의 나노기공을 만들었다. 연구팀은SFIL 패턴닝을 통하여 균일한 크기, 모양, 배열을 가진 나노기공 박막을 만드는 기술을 개발하는 데 성공하였다. 연구팀은 또한 기존의 방법과 달리 부드러운 패턴닝 조건으로 재현성이 뛰어난 나노크기의 상을 만들 수 있게 되었으며 이는 결국 석영 템플릿의 수명도 연장시킬 수 있게 하였다. ACB